Pogreške u lemljenju BGA: Tehnike rendgenskog pregleda PCB-a i popravak

Uvod

Stalni napredak tehnologije potisnuo je elektroniku prema uređajima koji su pametniji, brži i kompaktniji. Potražnja za ovim proizvodima potaknula je razvoj tehnologija visoke gustoće koje se mogu brzo montirati i pouzdano povezivati s rastućom složenošću modernih sklopova. Uređaji s mrežom kuglica (BGA) postali su ključno rješenje zahvaljujući svojoj sposobnosti maksimalnog povećanja gustoće sklopa i poboljšanja učinkovitosti u izradi tiskanih ploča.

Suvremena elektronička proizvodnja široko je prihvatila BGA komponente. Ova tehnologija koristi se i u potrošačkoj elektronici, uključujući pametne telefone i igrice, kao i u visokoklasnim sektorima poput svemirske i medicinske elektronike. Proizvodna poduzeća moraju savladati tehnike lemljenja BGA komponenata, posjedovati operativne sposobnosti za rad sustava za rendgensku inspekciju te biti vješti u naprednim tehnikama popravka BGA komponenata. Ove profesionalne tehničke vještine imaju veliku vrijednost tijekom faze razvoja prototipa i jednako su neophodne u procesima masovne proizvodnje. Potpuno ovladavanje ovim tehničkim sustavom osigurava da konačni proizvodi zadovoljavaju standarde performansi.

Što je lemljenje mreže kuglica ( BGA )?

Mreža kuglica: Struktura i doprinos sklopu ploče

Ball grid array (BGA) je tehnologija pakiranja integriranih krugova kod koje su olovne kuglice raspoređene u mrežnom uzorku ispod BGA uređaja. Tijekom procesa montaže, ove kuglice se topi i formiraju mehaničke i električne veze između paketa i ploče PCB. Za razliku od tradicionalnih paketa, BGA lemljena spojna mjesta su skrivena — što ih čini nedostupnima jednostavnoj vizualnoj inspekciji i time povećava potrebu za naprednim tehnologijama inspekcije poput rendgenske inspekcije.

Kako se BGA komponente leme na ploču PCB

• Korak 1: Dizajnirajte otvor na ploči PCB tako da se točno poravnava s lemilnim kuglicama.
• Korak 2: Nanesite lemilnu pastu na ploču PCB pomoću šablona, koji osigurava točnu količinu lema na svaki otvor.
• Korak 3: Postavite BGA komponentu tako da se svaka kuglica poravnava s odgovarajućim otvorom.
• Korak 4: Sklop ploče PCB prolazi kroz peć za lemljenje, zagrijavajući krug tako da se kuglice u mreži dovoljno otopi i formiraju veze između BGA i PCB.
• Korak 5: Nakon hlađenja, lemilne kuglice BGA-a ponovno su stvrdnule, stvarajući pouzdane spojeve.

Struktura lemljenog spoja kuglične mreže

Razvoj i značajke BGA uređaja

Razvoj tehnologije kuglaste rešetke potaknut je potrebom za povećanjem gustoće ulazno-izlaznih priključaka (I/O) i poboljšanjem performansi u elektroničkim sklopovima. Kako su integrirana kola unutar kućišta proizvodila više topline i zahtijevala robusnije veze, BGA je postao ključan napredak.

Ključne značajke BGA:

• Raspoređene u obliku mreže: Lemljene kuglice raspoređene u redovima i stupcima na dnu kućišta omogućuju veću gustoću izvoda.
• Poboljšana električna izvedba: Kratke, izravne lemljene veze svode otpor i induktivnost na minimum, što je kritično za visokofrekventne sklopove.
• Upravljanje toplinom: Veliko područje kontaktne površine i raspodjela u mreži omogućuju učinkovitije rasipanje topline koju proizvodi integrirano kolo.
• Kompatibilnost s PCB pločama visoke gustoće: BGA podržava malo međusobno razmicanje kuglica — prednost kod montaže PCB ploča visoke gustoće.
• Poboljšana pouzdanost: Geometrija i struktura jednako raspodjeljuju naprezanje, smanjujući rizik od zamora lemljenih spojeva.

Zašto BGAs dominiraju modernim dizajnom ploča za sklopove

Pomak prema BGA i PCB partnerstvima došao je iz potrebe za uređajima koji mogu rukovati visokom brzinom rada, većom snagom i više priključaka bez povećanja ploče za sklopove. Ovaj tehnološki napredak doveo je do toga da su gotovo svi procesori, FPGA-i i memorije visoke brzine u najnovijim generacijama elektroničkih proizvoda pakirani kao BGA IC-ovi.

Tehnike lemljenja BGA

Pregled tehnika lemljenja BGA

Lebljenje BGA paketa zahtijeva znatno više tehničkih zahtjeva u odnosu na konvencionalne olovne pakete. Postupak teži potpunoj dosljednosti u postavljanju kuglica lema. Ključni ciljevi uključuju postizanje precizne kontrole temperature zagrijavanja. Postupak konačno zahtijeva formiranje čistih spojeva bez šupljina.

Tehnike lemljenja uključuju:

• Proces reflow: Standardna metoda, koja koristi reflow peć za globalno ili lokalno zagrijavanje i taljenje kuglica lema postavljenih između paketa i PCB-a.
• Ručno lemljenje: Koristi se prvenstveno za popravak BGA komponenti ili montažu prototipa — često uključuje lokalno zagrijavanje BGA komponente pomoću alata s vrućim zrakom.
• Korištenje stanice za popravak s vrućim zrakom: Za popravak, kontrolirani izvor vrućeg zraka i/ili IR zračenja zagrijava područje oko neispravne BGA komponente kako bi se ona uklonila, zamijenila ili ponovno olovila.
• Poravnanje i postavljanje: Sustavi za hvatanje i postavljanje ili ručni mikroskopi točno poravnaju lemilne kuglice iznad odgovarajućih metaliziranih područja na tiskanoj ploči.

Ključne varijable lemljenja BGA

Savjeti za savršeno lemljenje BGA

• Uvijek provjerite nanos leme prije postavljanja — izostanak točke znači izostanak lemnog spoja.
• Pažljivo osigurajte tiskanu ploču tijekom zagrijavanja kako biste izbjegli izobličenje, koje uzrokuje nejednake lemne spojeve.
• Za prototipove i popravak BGA komponenti, počnite s neispravnim tiskanim pločama kako biste savladali lokalno zagrijavanje BGA komponente prije nego što pređete na vrijedne sklopove.

Tehnike i tehnologija inspekcije lemnih spojeva

Zašto je inspekcija kritična

Budući da su BGA lemni spojevi skriveni ispod paketa, identificiranje greške koristeći samo vizualne znakove je praktički nemoguće. Zbog toga je rendgenska inspekcija, uz druge tehnike inspekcije (optička inspekcija, električno testiranje), neophodan dio procesa.

Tehnike inspekcije za BGA komponente

1. Vizualna inspekcija:

• Koristi se za postavljanje, poravnanje i pregled kuglica na periferiji paketa.

2. Optička inspekcija (AOI):

• Automatska optička inspekcija otkriva pogrešna postavljanja, nepravilne razmake i neke defekte mosta na rubu paketa.

3. Rentgenska inspekcija:

• Kao ručna tako i automatska rendgenska inspekcija (AXI) omogućuju vam provjeru lemljenih spojeva skrivenih ispod BGA-a. Rendgensko snimanje koristi se za otkrivanje grešaka lemljenih kuglica, kratkih spoja, šupljina, prekida i efekta glave na jastuku.

4. Električno testiranje:

• Testovi u strujnom krugu i leteći sonda potvrđuju kontinuitet svih veza između BGA-a i tiskane ploče.

5. Ostale metode inspekcije:

• Akustični i IR sustavi za inspekciju također se koriste za napredno otkrivanje grešaka (odlaminacija, šupljine i nagomilavanje topline).

Usporedba sustava za inspekciju

Napredna tehnologija inspekcije

Razvoj tehnologije inspekcije doveo je do stvaranja stvarnog vremena 3D AXI, rendgenskih sustava visoke rezolucije i softvera koji automatski može označiti kada je temperatura preniska tijekom ponovnog topljenja ili kada postoji defekt poput nedovoljno lema.

Savjeti za inspekciju lemljenih spojeva visoke kvalitete

• Redovito kalibrirajte svoje rendgenske sustave za inspekciju radi optimalne jasnoće slike i točnog otkrivanja mostova, šupljina i prekida.
• Koristite automatiziranu rendgensku inspekciju (AXI) u masovnoj proizvodnji. Ovo ubrzava proces sklopke uz održavanje temeljitosti.
• Za prototipove kombinirajte rendgensku snimanje s ručnom optičkom inspekcijom, jer ljudsko oko ponekad može otkriti suptilne nedostatke koje automatizirani sustavi propuste.
• Kombinirajte rendgensku inspekciju s električnim test metodama kako biste osigurali da svaki krug kojim upravlja BGA uređaj funkcioniše pod opterećenjem, a ne samo u mirovanju.

Uobičajeni kvarovi BGA i kako ih izbjeći

Čak i uz odličan dizajn ploče i BGA, različiti kvarovi se mogu pojaviti tijekom ili nakon postupka lemljenja. Razumijevanje uzroka i prevencije ključno je za pouzdane sklopove.

Tipični kvarovi lemljenja BGA

Česti simptomi

• Povremeni kvarovi na ploči (posljedica otvorenih spojeva ili hladnih spojeva)
• Kratki spojevi nakon početnog rada (posljedica mostova od lema)
• Nema signala ili visok otpor na izlaznim kontaktima (zbog šupljina/nerazlijepljenih spojeva)

Kako izbjeći uobičajene probleme s BGA-om

• Pažljivo projektirajte uzorke padova i razmak kuglica : Osigurajte da uzorak tiskane pločice za BGA uređaj točno odgovara paketu.
• Kontrola temperature lemljenja : Izbjegavajte pregrijavanje ili nedovoljnu temperaturu lemljenja tijekom procesa reflowa.
• Provjerite kvalitetu nanošenja paste : Po mogućnosti koristite strojeve za provjeru lemilne paste i odmah ispravite ako nedostaje pasta na nekim padovima ili je nanos prevelik.
• Obavezno izbubati BGA integrirana krugove osjetljive na vlanost prije lemljenja : To sprječava pojavu „pucanja“ (popcorning) i proširenje šupljina kada se kuglice u mreži otopljaju.
• Uvijek koristite odgovarajuće profiliran peć za reflow: Standardizirajte vršnu temperaturu i trajanje za svaki proces montaže kako biste smanjili hladna ili pregorela spoja.

Proces popravka BGA: Alati i tehnike

Kada montaža ili inspekcija otkrije neispravan lemljeni spoj ili neispravan BGA komponent, pokreće se postupak popravka BGA. Sustavan pristup ključan je za izbjegavanje dodatnih oštećenja.

Alati i tehnike za popravak BGA

Stanica za popravak BGA:

Osnovni alat je stanica za popravak namijenjena BGA komponentama.

Ove stаницe za popravak dolaze s preciznim kontrolama temperature, vizualnim sustavima za poravnavanje i specijaliziranim mlaznicama vrućeg zraka ili infracrvenim grijačima za lokalno zagrijavanje BGA komponente.

Alat za vrući zrak i IR predgrijač:

Korištenje alata za vrući zrak omogućuje sigurno uklanjanje neispravnog dijela bez ometanja susjednih lemljenih spojeva.

IR predgrijač nježno zagrijava ploču kako bi spriječio izobličenje ili termičke šokove.

Vizualni sustavi i poravnavanje:

Suvremene stanice uključuju kamere ili mikroskope za precizno poravnavanje lemilnih kuglica s kontaktima.

Alati za rebalansiranje:

Za BGA uređaje koje treba ponovno upotrijebiti, „rebalansiranje“ zamjenjuje stare, onečišćene lemilne kuglice novima.

Ispisivač lemilne paste ili mali šablon:

Za postavljanje točne količine lemilne paste za novi BGA.

Postupak popravka BGA (korak po korak)

Priprema

Provjerite i potvrdite grešku i krug koji se popravlja.

Uklonite vlagu s ploče i BGA komponente predgrijavanjem.

Uklanjanje

Koristite stanicu za popravak kako biste lokalno zagrijali BGA komponentu.

Nakon što se lemilne kuglice otopile, podignite BGA vakuumskim alatom.

Čišćenje mjesta i provjera kontaktne površine

Očistite ostatak lema s pločica na tiskanoj ploči; provjerite ima li odizanja pločica ili oštećenja tiskane ploče.

Nova postava BGA

Za novi BGA, nanosite lemilski premaz na pločice, koristite vodilice za poravnavanje pri postavljanju.

Ponovno topljenje lema

Koristite alat za vrući zrak ili kontrolu uređaja za popravak kako biste ponovno stopili nove lemljene kuglice i uspostavili veze između BGA i tiskane ploče.

Završna inspekcija

Najbolje prakse za montažu tiskanih ploča, ponovno topljenje i kvalitetu

Spriječite greške tako da potvrdite svaki korak:

• Od tiskanja paste i postupka hvatanja i postavljanja do ponovnog topljenja i inspekcije. Koristite automatiziranu rendgensku inspekciju za tiskane ploče s velikim brojem BGA elemenata
• Koristite automatiziranu rendgensku inspekciju za tiskane ploče s velikim brojem BGA elemenata ručno odabiranje grešaka u skrivenim lemljenim kuglicama nije izvodivo u većem obimu.
• Nadzor temperature lemljenja profilirajte svaku ploču pomoću termoparova, posebno za složene ploče visoke gustoće.
• Pohranjujte BGA komponente prema preporukama proizvođača spriječite oksidaciju lemilnih kuglica i upijanje vlage.

Često postavljana pitanja

P: Može li se ručno lemiti BGA uređaji?

O: Ručno lemljenje općenito nije prikladno za montažu BGA zbog skrivene i fine strukture lemilnih spojeva. Međutim, igra ključnu ulogu u popravku korištenjem posebnih mlaznica za vrući zrak i precizne vizualne inspekcije.

P: Je li rendgensko snimanje uvijek potrebno za inspekciju BGA?

O: Da, za proizvodnju — budući da su lemilni spojevi skriveni ispod kućišta i ne mogu se u potpunosti procijeniti vizualnim ili optičkim metodama.

P: Koje su znakove da je proces lemljenja BGA-om neuspješan?

A: Povremeni signali, nema izlaza ili kvar uređaja; potvrđeno rendgenskom inspekcijom ili neuspjelim električnim testovima.

P: Kako izbjeći uobičajene nedostatke BGA tijekom lemljenja?

A: Ispravno profiliranje pećnica, pažljivo projektiranje šablona i redovite tehnike inspekcije svode na minimum očite i suptilne nedostatke.

Zaključak

Razvoj pakiranja s mrežom kuglica bio je ključan za zadovoljavanje stalnog zahtjeva za manjim, moćnijim i pouzdanijim elektroničkim uređajima. Međutim, lemljena spojna mjesta BGA uređaja — raspoređena u obliku mreže i skrivena na dnu paketa — zahtijevaju sofisticirane tehnike montaže, popravka i inspekcije. Od uporabe pećnica za lemljenje do najmodernijih stanica za popravak BGA-a te nužnosti naprednih rendgenskih inspekcija, cijeli proces zahtijeva pažnju prema svakom detalju.

Izbjegavanje uobičajenih nedostataka BGA-a zahtijeva pouzdane kontrole procesa i posvećenost korištenju pravih alata i metoda inspekcije. Presjek dobrog dizajna, stručne tehnike lemljenja, precizne inspekcije i pažljivog popravljanja osigurava da svaka ploča s visokom gustoćom spojeva — i svaki integrirani krug unutar paketa — isporuči obećanje trajnosti i performansi.

Ostanite ispred u stalno promjenjivom svijetu montaže PCB-a — savladajte lemljenje BGA-a, ažurirajte tehnologiju inspekcije i ulažite u vještine svog tima.